L'angolo scientifico: effetto Doppler e smodata velocità supersonica #LegaNerd

Leonard: Why don’t you tell people that you’re a zebra?
Sheldon: Why don’t you tell people that you’re one of the seven dwarves?
Leonard: Because I’m Frodo.
Sheldon: Well, I’m the Doppler Effect.

Se non sapete bene qual’è il principio che regola l’effetto Doppler, con questa applet potete capire con semplicità il meccanismo.

  1. Mettete il mouse in un punto qualunque dell’area grigia e fate un semplice click. Vedrete la sorgente ferma e le onde sonore espandersi.
  2. Trascinate il pallino blu e dategli una direzione e una velocità, indicata nel rettangolo giallo. V/Vs è per definizione il numero di Mach, cioè il rapporto tra la velocità della sorgente e la velocità del suono. Vi consiglio di provare con almeno i valori 0.5, 1.0 e 1.5.

Ecco dunque svelato l’effetto Doppler. I fronti d’onda si accumulano davanti alla sorgente in movimento e si diradano dietro di essa. L’ascoltatore posizionato davanti alla sorgente percepirà un suono più acuto, dato che la lunghezza d’onda si è accorciata la frequenza è aumentata di conseguenza. Un ascoltatore posto dietro invece percepirà l’effetto contrario, un suono più grave.
Impostando la velocità a 1 Mach, vi apparirà chiaro che cos’è il muro del suono: la sovrapposizione di infinite onde sonore quando la sorgente si sposta esattamente alla velocità del suono (343 m/s a 20°C), che corrisponde a tutti gli effetti ad un muro di aria altamente compressa.
Se la velocità supera quella del suono si deve letteralmente sfondare questo muro generando un bang supersonico. Da quel momento in poi la sorgente lascerà dietro di sè un cono di onde sonore (chiaramente visibile impostando la velocità a 1.5), detto appunto cono di Mach. Lungo la superficie di questo cono esiste un’onda d’urto, perché il raggrupparsi dei fronti d’onda causa un brusco aumento e una brusca caduta di pressione d’aria. L’angolo di semiapertura del cono è dato dal reciproco del numero di Mach.
Appare quindi chiaro che all’aumentare della velocità il cono si restringe: questo è il motivo per cui gli aerei più veloci al mondo, come l’F-15 (Mach 2), il Mig-25 (Mach 3), l’X15 (Mach 6) o l’X-43A dell NASA (Mach 10) devono avere un profilo alare molto stretto (o addirittura inesistente) se non vogliono uscire dal cono di Mach e vedersi le ali frantumate dalla enorme discontinuità di pressione.
Ultima nota. I bang supersonici di un aereo, sono almeno 3: uno per il muso, uno per le ali e uno per la coda. Se ne sentite uno solo preoccupatevi, probabilmente è un missile balistico intercontinentale e avete circa 20 millisecondi di tempo per rendervene conto prima di essere vaporizzati.

Ryan Vespucci a.k.a. ryanvespucci

Il senso comune immagina che, quando uno vede un tavolo, vede un tavolo. Grossolana illusione.
(Bertand Russel, L’abc della relatività)

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